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射频四极(Radio Frequency Quadruple简称RFQ)加速器是直线加速中最常用的加速结构。RFQ加速器在线运行时,腔体内表面的射频功率耗散使加速器腔体发热变形,产生频率漂移,从而影响束流品质和传输效率。对于连续波(Continuous wave简称CW)工作条件,RFQ加速器的热稳定性是在线调试过程中的一个重要问题。RFQ加速器的冷却系统的作用是保持腔体结构的热稳定性,限制腔体结构的变形,同时可以调谐加速器腔体的频率。对RFQ加速器的冷却过程的研究是很有必要的,它可以用来模拟RFQ腔体的温升、变形和频率漂移。从传热学和流体动力学的角度来看,RFQ加速器腔体的冷却过程是加速器的热环境、腔体结构与冷却介质之间的传热与冷却介质内部的流动传热三方面相互耦合的复杂过程。因此,针对RFQ加速器腔体受热冷却过程,结合流体流动运动来研究这一问题可以得到更加完整的分析结果,也能够通过冷却流体的温度参数更加直观地看到受热冷却过程的冷却效果,对RFQ加速器的稳定运行和加速器的事故预防都具有现实指导意义。本文针对CW RFQ加速器的热稳定性问题,结合了流体动力学理论对该问题开展了详细的三维多场耦合分析,包括电磁(EM)、热-流耦合分析和结构仿真。本课题开展的研究工作如下:(1)首先考虑到加工和装配误差对腔体频率的影响,对加工精度和形位公差提出高要求,文中对腔体的加工工艺展开介绍。通过精度要求和腔体调谐,消除加工误差对RFQ频率的影响,测试显示腔体性能满足设计要求。(2)其次根据RFQ加速器真实结构和腔体实际的U型冷却通道结构建立了三维全尺寸模型,其中包括腔体的固体模型和冷却水的流体模型,完成了包括电磁、热-流耦合和结构的多场耦合研究。其中,冷却过程考虑了流体流动换热过程,结合流体动力学理论,应用CFD软件,优化模型参数完成热流耦合分析。研究了冷却水温度对加速器腔体的结构形变、应力和腔体频率的影响。(3)通过独立完整的水冷系统监测装置获得加速器束流实验中流体的相关参数。将相同实验工况下的模拟仿真结果与实验监测结果对比,验证了数值计算模型和模拟结果的有效性。(4)考虑到实际的RFQ加速器的冷却过程是与时间有关的过程,因此,针对冷却通道内流体的流动换热,通过热流耦合数值计算将流场与热分析结合起来,实现腔体和流体之间的瞬态共轭传热、热场与流场的耦合分析。瞬态模拟结果与实验结果吻合良好,数值模拟结果和束流实验结果能够相互验证。(5)在实际工程设计中,需要考虑到热流耦合模拟计算的工作量,计算时间以及对模拟计算机硬件性能的要求。在换热系数经验计算公式的基础上进行了修正,提出了修正后的表达式,基于相同实验条件进行热分析,将采用经验公式,采用修正后的换热系数表达式和实验工况下热流耦合数值模拟计算的冷却通道壁面温度结果进行对比,结果显示达到了修正换热系数的目的,降低了误差,可以获得更趋近于实验模拟的结果。采用本论文所阐述的数值模拟和加速器束流实验相结合的方法,能够更准确地对RFQ加速器的热稳定性进行评估。多场耦合分析为工程实际中的RFQ加速器的腔体冷却通道设计提供有效的数值试验平台和参数优化设计方法。本文的创新点如下:(1)对RFQ加速器开展多场耦合分析,运用流体动力学理论及相关软件,对RFQ加速器腔体的冷却过程进行热-流耦合分析,在国内首次实现了RFQ加速器腔体和冷却流体之间的瞬态共轭传热分析。(2)在国内首次通过RFQ加速器的冷却系统获取实验数据对CW RFQ加速器的数值耦合计算与束流实验结果进行验证。(3)针对RFQ加速器的换热问题,对换热系数经验公式提出了修正,经过验证,降低了经验公式法和耦合模拟计算的误差。